金属氧化物避雷器的劣化机理与状态评估研究

2012-11-14刘海峰王鹤许

河北电力技术 2012年6期

刘海峰，王鹤许

(1.河北省电力公司，石家庄 050021；2.华北电力大学，河北保定 071003)

金属氧化物避雷器(MOA)是当前限制过电压最先进的一种保护电器，被广泛地用于发电、输变电和配电系统中，保护电气设备的绝缘免受过电压的损害。金属氧化物避雷器有着优异的非线性伏安特性，同时还具有通流容量大、残压低、体积小、质量轻等优点，近年来已逐步取代其它类型的避雷器，成为电力系统的主要过电压保护设备。虽然在正常工作电压下流过MOA的电流极小(微安级)，但由于MOA内部阀片长期承受工频电压作用，会逐渐劣化，引起电阻特性变化而导致泄漏电流增加；另外，避雷器结构不良，密封不严、内部构件受潮也会导致泄漏电流增大。泄漏电流的阻性分量将形成有功损耗，使电阻片温度升高，严重时可能引起MOA爆炸。因此，尽管MOA的单位造价不高，但是及时准确掌握MOA的运行状态，对于防止人身和电网恶性事故十分必要。

1 金属氧化物避雷器的性能与结构

MOA的核心元件是金属氧化物电阻片，它具有理想的伏安性能，在非线性区其非线性系数α为0.015～0.05，比普通阀型的非线性系数要小得多。正常运行时，金属氧化物避雷器处在正常工频电压下，电阻片呈现很大的电阻，呈绝缘状态。当出现雷电过电压、内部过电压时，电压超过氧化物电阻片的动作值后，电阻片瞬间呈低阻状态，释放电流。避雷器两端维持较低的残压，以保护电气设备不受过电压损坏。当过电压结束后，避雷器氧化物电阻片即可恢复极高电阻，保持绝缘状态，保证电力系统的正常运行。电阻片呈圆饼状或环状，两端面喷有金属电极，侧面涂有绝缘釉保护以防沿面闪络。电阻片中心有孔，孔中穿有1根有机绝缘棒，两端用螺栓紧固。内部元件装入瓷套(或复合绝缘套)内，上、下两端各用1个压紧弹簧压紧。瓷套两端法兰各有1个压力释放口，当避雷器内部发生故障时，可将内部过高的压力释放出来，以防瓷套爆炸。MOA绝缘底座处除安装动作记录器外，还可安装MOA泄漏电流监测装置，为运行中监测避雷器状态提供方便。金属氧化物避雷器结构如图1所示。

图1 220 kV金属氧化物避雷器外部结构

2 运行中金属氧化物避雷器的劣化机理

金属氧化物避雷器受电网和运行环境中多种应力因素的影响，这些应力能够引起避雷器的过早老化，甚至损坏其非线性电阻片。引起避雷器劣化的机理主要有以下几种，严重的将造成金属氧化物避雷器故障。

2.1 密封缺陷引起内部受潮

据统计，金属氧化物避雷器爆炸事故中，内部受潮是主要原因。金属氧化物避雷器内部空腔约占整个避雷器内部空间的50%，在环境温度冷热循环变化下，空腔内的氮气膨胀或收缩形成呼吸作用，如果避雷器密封不严，潮气会逐步侵入，导致内部受潮，使泄漏电流增大，加速电阻片的老化。

密封不良可能由以下几方面造成：一是密封圈漏装、移位或者密封圈达不到设计要求，一般在运行一段时间，遇到天气骤然变化或雨季后，就会表现出来。二是两端盖板制造质量差，有砂眼或者加工时密封槽出现缺口，导致潮气和水分侵入。三是瓷套质量问题，存在细小的裂纹，使潮气缓慢侵入。

2.2 内部局部放电

正常情况下，电阻片与瓷套之间的径向电位差较小。当避雷器外部瓷套受到污秽及潮气作用时，瓷套上的电位分布发生变化，特别是在避雷器外套或下部存在干区时，电位分布将更加不均匀，电阻片与外部瓷套间存在较大的径向电位差，该电位差接近避雷器的工作电压。当电位差较大时，可能发生径向的局部放电，产生脉冲电流，如果电流很大，会使电阻片在电流聚集的地方温升过高被烧熔，损坏电阻片，导致整个避雷器破坏[1]。

2.3 污秽引起表面放电

瓷套表面严重积污，除了会引起表面闪络以外，还会引起沿电阻片电压分布不均，造成电阻片局部过热并导致损坏。一般避雷器表面的污闪或泄漏电流的增加只是在一段时间内出现，过一段时间后将消失，表明污秽导致的阻性电流增加与内部受潮导致阻性电流长期增加有本质区别。因此，监测避雷器的阻性电流时，如发现避雷器在一段时间内阻性电流增加，有可能是避雷器外套表面积污较严重，应及时清理[1]。

2.4 暂时或暂态过电压引起超负荷

超负荷一般出现在电力系统故障发生以后，此时在电网中伴随着高的暂态过电压。如果避雷器额定电压设定得太低，即使暂态过电压仍然处在本应该能够承受的水平，还是会增加出现超负荷的风险。避雷器超负荷将降低其抵御过电压的保护能力。例如，多重雷击引起的严重暂态过电压，或高能量的暂时过电压。因此，避雷器在尚未抑制住过电压之前就可能发生故障，同时被保护的设备也将遭到损坏。

2.5 参数选择不当

避雷器的使用必须满足绝缘配合的要求。当避雷器技术参数不适合实际的系统电压和过电压应力的时候便会出现这种问题。避雷器的残压值偏高，可能难以起到很好的保护作用；避雷器的额定电压偏低，可能会加速电阻片的老化进程，缩短避雷器的寿命；标称放电电流选择偏低，会影响避雷器的保护水平和通流能力。

2.6 电阻片存在质量问题

有些产品老化特性不好，如运行一段时间后，部分电阻片首先劣化，造成避雷器参考电压下降，电位分布不均匀，阻性电流和功率损耗增加，在电网电压不变的情况下，避雷器荷电率增加，老化速度加快，形成恶性循环，最终导致避雷器热崩溃而爆炸。

3 金属氧化物避雷器的状态评估

目前，金属氧化物避雷器状态评估主要包括在线、离线2种运行方式，具体包括运行巡视、离线试验、带电检测、在线监测等方法。

3.1 运行巡视

运行巡视主要是检查运行中避雷器的外观、观察泄漏电流表指示值和放电计数器动作情况。这是一种常用的、甚至很有效的确定外部异常的方法。日常巡视中应检查避雷器外绝缘积污情况；瓷套有无裂纹；复合外套有无电蚀痕迹；有无异物附着；均压环有无松动、歪斜；引线连接情况是否正常；检查泄漏电流表指示与同等条件下运行的其他避雷器比较，无明显差异。雷雨大风及避雷器经历不良工况后应进行特殊巡视，重点检查放电计数器动作情况，避雷器表面有无放电闪络痕迹。

3.2 离线试验

离线测量可以提供一种试验环境，这种环境下可以得到较好的测量可靠性和可重复性。这种方法要求避雷器不带电，使用便携式试验设备，或者把避雷器送到试验室进行试验。

根据国家电网公司Q/GDW 168-2008《输变电设备状态检修试验规程》，金属氧化物避雷器的停电试验项目包括直流1 mA电压(U1 mA)及0.75U1 mA下漏电流测量、底座绝缘电阻。U1 mA反应金属氧化物避雷器由小电流工作区到大电流工作区的分界点，对判断避雷器老化状态有着重要意义。若U1 mA电压下降或0.75U1 mA下漏电流明显增大，就可能是氧化锌电阻片受潮老化。根据《规程》规定，金属氧化物避雷器U1 mA初值差应不超过±5%且不低于GB 11032规定值，0.75U1 mA泄漏电流初值差应不大于30%或小于50 μA。

停电试验方法的优点是测量结果较为准确可靠，缺点是被试设备必须停电，且试验过程一般需要解开避雷器引线，操作起来费时费力，不方便。更重要的是，随着电网规模的快速增长，新建及扩建大量变电站，需要维护的电力设备数量剧增，若频繁进行停电试验，不仅工作量巨大，有时甚至由于供电可靠性而无法安排。

电网企业转入状态检修模式后，金属氧化物避雷器的停电检修周期根据状态评价结果确定，状态良好的设备，在停电试验基准周期4.5年的基础上，可延长1～1.5年。因此，在两次例行试验期间，通过运行电流检测和红外测温等带电检测技术掌握设备运行状态，才能确保设备状态的能控、在控。

3.3 带电检测

金属氧化物避雷器的带电检测，目前采用的主要测试手段是带电测试避雷器阻性电流和红外热像检测。

3.3.1 阻性电流带电检测

带电检测避雷器持续电流主要是检测泄漏的全电流及其阻性分量，这是发现避雷器早期缺陷的有效手段。在交流电压下，MOA总泄漏电流中包含阻性电流(有功分量)和容性电流(无功分量)。在正常情况下，通过MOA的主要为容性电流，阻性电流只占很小一部分，约为10%～20%。但当电阻片老化时，避雷器受潮、内部绝缘部件受损以及表面严重污秽时，容性电流变化不大，而阻性电流大大增加。全电流的变化反映避雷器的严重受潮、内部元件接触不良、电阻片严重老化，而阻性电流的变化则对电阻片初期老化的反应比较灵敏。所以监测阻性电流可以更有效地监测MOA的绝缘状况。

目前，带电检测MOA运行中持续电流的原理主要分为基波法、三次谐波法和补偿法，3种测量方法原理见图2-4。基波法的主要原理为：在正弦波电压的作用下，MOA的阻值电流中只有基波电流做功产生功耗，另外，无论谐波电压如何，阻性基波电流都是一个定值，因此全电流经数字谐波分析，提取基波进行阻性电流分解，即可得到阻性电流的基波，根据阻性电流基波所占比例的变化来判断MOA的状况。实际测量中，一般在采得MOA全电流的同时，还要测取PT二次侧的电压，然后将电压和电流信号进行FFT计算，得到电压和电流基波分量的幅值和相位，将基波电流在基波电压上投影就可以得到阻性电流的基波分量。三次谐波法是利用氧化锌电阻片的非线性，在电压作用于非线性电阻时会产生含有三次谐波的电流，电流三次谐波初相角与电压基波初相角相关，由此计算出电压的基波初相角与泄漏电流的阻性分量。三次谐波法需用数字测量的方式，优点是无需参考电压信号，操作简便。但是，受到电网中固有的三次谐波的影响，其测量误差大，一般只能进行定性测量。补偿法是将流经避雷器总电流中的容性电流平衡掉，它用PT二次侧的电压信号通过硬件方式来补偿容性电流分量进而得到阻性电流。该方法对单支MOA测得的阻性电流较为精确，但现场试验中，三相避雷器呈一字形布置，各相避雷器除受本相电压作用外，还通过相间耦合到相邻相电压，从而带来测量误差，并且系统电压等级越高，误差越大。

图2 基波法测量原理

图3 三次谐波法测量原理

图4 电容电流补偿法测量原理

现场带电检测MOA持续电流时受到很多因素影响，如电网谐波电压、相间干扰、表面污秽泄漏电流、电压波动、环境温度、湿度、PT相移、传输误差等，这些因素都会影响测量的稳定性和准确性。相比之下，基波法能有效抑制电网的谐波干扰，并且容易排除相间干扰对测量结果的影响，因此目前现场多采用该方法。

当阻性电流增加到1.5倍初始值时，应缩短监测周期；当阻性电流增加到2倍初始值时，应停电进行检查。

3.3.2 红外热像检测

对于金属氧化物避雷器，红外热像检测同样是一种常用和有效的状态评估手段。大量实践经验表明，热成像技术能够有效地用于跟踪避雷器的劣化。避雷器电阻片老化后，运行中发热会加剧，与相同运行条件下的其他避雷器相比，整体或局部温度偏高，相间温差加大，因此通过红外热像检测可有效检出避雷器内部缺陷。红外热像检测具有不停电、不取样、不接触，直观、准确、灵敏度高及应用范围广等优点。然而，使用红外热像仪的灵敏度必须能够检测到升高的电阻片温度波及到了避雷器外套的表面。

3.4 在线监测

在线测量方法以临时带电或连续带电为基础，使用便携式仪器以及非移动式永久安装的装置。这种方法的优势是，无需拆下运行中的避雷器便能得到其状态评估数据。如果在线测量发现任何疑问，可以结合离线试验综合判断避雷器的状态。对避雷器实施在线监测可以在不停电的情况下随时了解避雷器的泄漏电流变化情况，及时发现异常现象和事故隐患，以采取有效预防措施，防止运行中的避雷器发生事故。

目前，35 kV及以上的MOA一般都配有带泄漏电流表的在线监测装置，还可以通过电缆将测量信号接入状态监测系统。该泄漏电流表用于监视MOA运行中流过的电流，即总泄漏电流的有效值Ix。该电流为流过避雷器电阻片和瓷套外表面的泄漏电流，能粗略地反映MOA的绝缘状况。如Ix超

过同等条件下120%总泄漏电流基数(即正常总泄漏电流值)或相与相之间相差超过20%，应视为异常。

近年来，随着智能变电站技术的发展，变电站在线监测系统已能够实时监测MOA的全电流和阻性电流，并传输到调控中心和相关检修班组，实现了设备状态的可视化。智能变电站通常采用总线式结构的绝缘在线监测系统，现场检测单元具备信号提取、数字化和处理功能，由后台机实现数据处理和故障诊断。